DE19624315C2 - Verfahren zum Ätzen von Strukturen in einer Siliziumschicht - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ätzen von Strukturen in einer Siliziumschicht und insbeson­ dere auf Verfahren zum Ätzen von Strukturen in einer Sili­ ziumschicht auf dem Gebiet der Mikroelektronik und der Mi­ kromechanik.

Auf dem Gebiet der Mikromechanik werden bei der Herstellung mikromechanischer sensorischer Bauteile im allgemeinen KOH- Lösungen zum Ätzen von Siliziumstrukturen verwendet. Wie bei mikroelektronischen Bauteilen findet auch bei der Mechanik von sensorischen Bauteilen eine immer weiter fortschreitende Miniaturisierung mit einer beständigen Verringerung der Ab­ messungen der Bauteile statt. Um diese fortschreitende Mi­ niaturisierung zu unterstützen, ist es vorteilhaft, Struktu­ ren zu schaffen, die aus einer Kombination von sensorischen und elektronischen Bauelementen bestehen. Die Kostenvorteile einer derartigen Kombination können jedoch nur dann voll­ ständig ausgenutzt werden, wenn beide Baugruppen, d. h. sen­ sorische Elemente und elektronische Elemente, mit den glei­ chen Technologien gefertigt werden können. Folglich müssen die Prozeßschritte zur Herstellung von sensorischen Bauele­ menten der Anforderung genügen, daß sie kompatibel zu den bei der Mikroelektronik auftretenden Anforderungen sind.

Wie oben erwähnt wurde, ist es bekannt, zur Herstellung sen­ sorischer Bauteile Ätzverfahren unter Verwendung von KOH-Lö­ sungen zu verwenden. Das in diesen Lösungen enthaltene Ka­ lium ist jedoch neben den anderen Alkali- und Erdalkali-Me­ tallen bei der Fertigung von integrierten Schaltkreisen nicht zulässig, da diese Metalle zu einem Ausfall der mikro­ elektronischen Bauelemente führen würden. Somit können mit­ tels der bekannten Techniken Strukturen, die eine Kombina­ tion aus sensorischen und elektronischen Bauelementen auf­ weisen, nicht mittels der gleichen Prozeßschritte herge­ stellt werden.

Die US 49 41 941 offenbart ein verbessertes Verfahren zum anisotropen Ätzen der {100}-Ebene eines Siliziumwafers, bei dem die verwendete Ätzlösung eine aromatische Verbindung mit zumindest zwei benachbarten Hydroxylgruppen und einer pola­ ren Gruppe, ein Amin und Wasser enthält. Als Amin wird dabei gemäß der US 49 41 941 vorzugsweise Monoethanolamin verwen­ det.

Aus der DE-OS 19 53 665 ist ein Verfahren zum örtlichen an­ isotropen Ätzen eines Siliziumkörpers bekannt, bei dem ein Ätzmittel, das aus einem Amin und Wasser besteht, verwendet wird. Dem Ätzmittel kann ein Moderator zugesetzt sein, der die Ätzgeschwindigkeit der Lösung für die zu ätzenden Halb­ leiter herabsetzt. Der Moderator kann beispielsweise ein Al­ kohol sein.

In "Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 9A, September 1991, Seiten L1605 bis L1607 ist ein Mittel zum anisotropen Naßätzen von Siliziumstrukturen beschrieben, daß aus Alkohol (Pyrocatechin), Amin (Ethylendiamin) und Wasser besteht.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Ätzen von Strukturen in einer Siliziumschicht zu schaffen, das die kombinierte Herstellung von mikroelektronischen und mikromechanischen Bauelementen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ätzen von Struk­ turen in einer Siliziumschicht gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ätzen von Strukturen in einer Siliziumschicht, das das Aufbringen einer Maskierungsschicht auf eine Hauptoberfläche der Sili­ ziumschicht und das Ätzen der Hauptoberfläche der Silizium­ schicht unter Verwendung eines Ätzmittels aufweist, wobei das Ätzmittel aus einem Gemisch aus Monoethanolamin, Dime­ thylsulfoxid und Wasser besteht.

Das erfindungsgemäße Ätzmittel weist gegenüber KOH den Vor­ teil einer hohen Selektivität gegenüber Siliziumdioxid auf. Folglich ist der Einsatz von Siliziumdioxid als Maskierungs­ material vorteilhaft möglich, wobei auf den Einsatz von Mas­ kierungsmaterialien, die beispielsweise in der CMOS-Tech­ nologie nicht üblich sind, beispielsweise Siliziumkarbid, verzichtet werden kann. Die Ätzrate des erfindungsgemäßen Ätzmittels hängt von der Verdünnung des Monoethanolamin-Di­ methylsulfoxid-Gemisches mit Wasser ab, wobei die Ätzrate durch eine Ultraschallbehandlung oder eine Temperaturbehand­ lung während des Ätzens erhöht werden kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Ätzrate bei {100}-Silizium eines Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemischs mit einem Mischungsverhältnis von 70 : 30 in Abhängigkeit von der relativen Konzentration dieses Gemischs in Was­ ser in Prozent; und

Fig. 2 ein Diagramm der Ätzrate in einem {100}-Silizium eines Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemischs mit einem Mischungsverhältnis von 70 : 30 in Abhängigkeit von der Temperatur bei einer relativen Konzentra­ tion in Wasser von 10%.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein Lackentferner, der aus Monoethanolamin und Dimethylsulf­ oxid besteht, in speziellen Fällen in der Lage ist, Alumi­ nium anzuätzen. Dieser Tatsache wurde nachgegangen und die Verwendung des Lackentferners zum Ätzen von Silizium wurde untersucht. Dabei wurde die Substanz, d. h. das Gemisch aus Monoethanolamin und Dimethylsulfoxid, mit Wasser verdünnt, wobei die Ätzraten von Silizium in Abhängigkeit vom Verdün­ nungsgrad der Substanz vermessen wurden. Gleichzeitig wurde die Selektivität der Ätzraten der einzelnen Ebenen unter­ einander beurteilt.

Ein Lackentferner der vorher genannten Art ist für den Ein­ satz zum Ätzen bei der Herstellung mikromechanischer senso­ rischer Bauteile besonders geeignet, da derselbe in der Mi­ kroelektronik bereits Verwendung findet und ferner sowohl in Hinblick auf die Mikroelektronik (CMOS-Kompatibilität) als auch auf die Gesundheit des Anwenders unbedenklich ist. Der­ artige Lackentferner sind bekannt und enthalten beispiels­ weise einen Anteil von 70 Volumenprozent Monoethanolamin und 30 Volumenprozent Dimethylsulfoxid.

Die nachfolgend dargelegten Untersuchungen wurden unter Ver­ wendung dieses aus Monoethanolamin und Dimethylsulfoxid be­ stehenden Lackentferners durchgeführt.

In Fig. 1 ist die Ätzrate in der {100}-Ebene von Silizium in Abhängigkeit vom Verdünnungsgrad dargestellt. Die darge­ stellte Kurve bezieht sich auf Monoethanolamin-Dimethylsulf­ oxid-Gemisch mit einem Volumenprozent-Mischverhältnis von 70 : 30. Ferner gilt die dargestellte Ätzrate bei einer Tempe­ ratur des Ätzmittels von 90°C.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, weist die dargestellte Ätzrate bei einer Konzentration von 50 Volumenprozent des Monoetha­ nolamin-Dimethylsulfoxid-Gemisches in Wasser ein Maximum auf. Wie ferner zu erkennen ist, liegt bei einer Konzentra­ tion von 90 Volumenprozent und darüber keine meßbare Rate vor. Das Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemisch wird erst durch den Zusatz von Wasser zu einem ätzenden Medium. Zur Erstellung der in Fig. 1 dargestellten Kurve wurde ein Lack­ entferner mit einem Volumenprozentverhältnis von 70% Mono­ ethanolamin und 30% Dimethylsulfoxid verwendet.

In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Ätzrate in der {100}-Ebe­ ne von Silizium von der Temperatur bei einer relativen Kon­ zentration eines Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemischs mit einem Volumenprozent-Mischungsverhältnis von 70 : 30 von 10 Volumenprozent desselben in Wasser dargestellt. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die Ätzreaktion stark tempera­ turabhängig. Ausgehend von Zimmertemperatur (30°C) nimmt die Ätzrate bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit zuneh­ mender Temperatur des Ätzmittels zu. Bei der verwendeten re­ lativen Konzentration des Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid- Gemischs mit einem Mischungsverhältnis von 70 : 30 von 10% nimmt die Ätzrate in dem Temperaturintervall zwischen 80°C und 90°C etwa um den Faktor 3 zu.

Bei einer gleichzeitigen Ultraschallanwendung können die Ätzraten noch weiter erhöht werden. So kann die Ätzrate bei einer Temperatur von 60°C und einer relativen Konzentration des Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemischs mit einem Mi­ schungsverhältnis von 70 : 30 von 10% um den Faktor 3 gestei­ gert werden. Die maximale Ätzrate ohne die Verwendung von Ultraschall liegt bei etwa 24 µm/h (d. h. 0,4 µm/min) und da­ mit deutlich unter den Raten von etwa 60 µm/h, die beim Ät­ zen unter Verwendung von KOH-Lösungen erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ätzmittels im Vergleich zu KOH ist jedoch die hohe Selektivität gegenüber dem Maskierungsmaterial Siliziumdioxid. Unter Verwendung ei­ nes Lackentferners mit der oben beschriebenen Zusammenset­ zung wurde eine Rate von 1 nm/min ermittelt, was gleichbe­ deutend mit einer Selektivität von 10000 : 1 zugunsten von Si­ lizium ist. Folglich ist der Einsatz von Maskierungsmateria­ lien, die in der CMOS-Technologie nicht üblich sind, bei­ spielsweise Siliziumkarbid, nicht notwendig, wobei das Oxid des Siliziums als Ätzmaske verwendet werden kann.

Es sei ferner angemerkt, daß die Ätzrate einer {111}-Ebene wesentlich geringer als die Rate einer {100}-Ebene ist, wo­ bei das Verhältnis kleiner als 1 : 15 ist. Aus dieser Tatsache folgt, daß am Ende des Ätzprozesses eine Ätzgruppe zurück­ bleibt, deren Seitenflächen durch {111}-Ebenen gebildet sind.

Das erfindungsgemäße Ätzmittel besteht aus einer Verdünnung eines Monoethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemisches mit Wasser auf eine relative Konzentration (Volumenprozent) von 10% bis 75%. Das Gemisch aus Monoethanolamin und Dimethyl­ sulfoxid kann aus 60 bis 80 Volumenprozent Monoethanolamin und 20 bis 40 Volumenprozent Dimethylsulfoxid bestehen.

Im Folgenden wird ein beispielhaftes Ätzverfahren unter Ver­ wendung des erfindungsgemäßen Ätzmittels spezieller be­ schrieben.

Zuerst wird der zu ätzende Wafer mit einem Siliziumdioxid beschichtet. Diese aus dem Siliziumdioxid bestehende Maskie­ rung zur Festlegung der zu ätzenden Strukturen wird nachfol­ gend in der Prozeßfolge Belacken, Belichten und Entwickeln der Strukturen im Lack und ein nachfolgendes Ätzen des Oxids an den geöffneten Stellen im Lack strukturiert. Im Anschluß daran werden die Lackschichten mit einem Lackentferner (Lackremover) und einer anschließenden Behandlung in Ca­ rot'scher Säure, die aus einer oxidierenden Mischung aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure besteht, entfernt. Da­ nach wird ein kurzzeitiger Ätzschritt in einer 5%igen HF-Lö­ sung (Flußsäurelösung) durchgeführt, um das Oxid auf dem Si­ lizium in den geöffneten Strukturen zu beseitigen, das sich in der Carot'schen Säure bildet. Hiermit ist die Bildung der Maskierungsschicht abgeschlossen. Die Markierungsschicht kann ferner mittels aller üblichen Photolithographietechni­ ken strukturiert werden.

Nachfolgend wird der mit der Maskierungsschicht versehene Siliziumwafer unter Verwendung der Mischung aus dem Mono­ ethanolamin-Dimethylsulfoxid-Gemisch und Wasser geätzt. Bei dem Ätzvorgang wird die Temperatur abhängig von der ge­ wünschten Ätzrate eingestellt. Ferner ist die Verwendung von Ultraschall zur Erhöhung der Ätzrate möglich.

Nach der Beendigung des Ätzprozesses wird der Wafer aus dem Ätzmittel entnommen und unmittelbar danach beispielsweise mit Wasser gespült, um das Monoethanolamin-Dimethylsulf­ oxid-Gemisch vollständig von der Waferoberfläche zu entfer­ nen.

Abhängig von weiteren folgenden Prozeßschritten kann die Maskierungsschicht dann auf dem Wafer verbleiben oder von demselben entfernt werden.

Die vorliegende Erfindung liefert somit eine Verfahren zum metallfreien selektiven Ätzen von Kristallebenen bei einem einkristallinem Silizium für den kombinierten Einsatz in der Mikroelektronik und der Mikromechanik. Das erfindungsgemäße Ätzmittel ist sowohl bezüglich in der Mikroelektronik ver­ wendeter Technologien, beispielsweise der CMOS-Technologie, kompatibel als auch bezüglich der Gesundheit des Anwenders unbedenklich. Ferner weist das erfindungsgemäße Ätzmittel eine hohe Selektivität gegenüber dem Maskierungsmaterial Si­ liziumdioxid bzw. Siliziumoxid auf.

Claims (10)

1. Verfahren zum Ätzen von Strukturen in einer Silizium­ schicht mit folgenden Schritten:

• a) Aufbringen einer Maskierungsschicht auf eine Haupt­ oberfläche der Siliziumschicht; und
• b) Ätzen der Hauptoberfläche der Siliziumschicht,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel aus einem Gemisch aus Monoethano­ lamin, Dimethylsulfoxid und Wasser besteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Ätzmittel 10 bis 75 Volumenprozent eines Gemisches aus Monoethanola­ min und Dimethylsulfoxid, Rest Wasser enthält.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ätzmit­ tel 50 Volumenprozent eines Gemisches aus Monoethanola­ min und Dimethylsulfoxid, Rest Wasser enthält.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem das Gemisch 60 bis 80 Vo­ lumenprozent Monoethanolamin und 20 bis 40 Volumenpro­ zent Dimethylsulfoxid enthält.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Gemisch 70 Volumenprozent Monoethanolamin und 30 Volumenprozent Dimethylsulfoxid enthält.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem während des Schritts b) eine Ultraschallbestrahlung an­ gewendet wird.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Ätzmittel während des Schrittes b) auf eine vorbe­ stimmte Temperatur erwärmt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Ätzmittel wäh­ rend des Schrittes b) auf eine Temperatur zwischen 60°C und 100°C erwärmt wird.

9. Verfahren gemäß einem der Schritte 1 bis 8, bei dem un­ mittelbar nach dem Schritt b) die geätzte Silizium­ schicht mit Wasser gespült wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Schritt a) folgende Schritte umfaßt:

• 1. Beschichten der Siliziumschicht mit Siliziumdi­ oxid; und
• 2. Strukturieren des Siliziumdioxids mittels photoli­ thographischer Verfahren.